船舶智能结构振动反馈控制研究

针对船舶结构特点,以压电(PZT)材料作为反馈传感器和控制作动器,粘贴在船舶板梁结构表面,形成智能结构反馈控制闭环系统,使结构振动得到有效控制。从PZT材料的本构方程出发,建立了压电智能结构的传感器、作动器以及振动控制有限元方程,并用ANSYS软件进行了数值仿真研究。数值算例验证了智能结构在结构尺寸和厚度比较大的船舶板梁结构振动控制的可行性,可以给船舶结构振动控制提供一种新的途径。     

基于声辐射模态的水下航行器传感器优化配置研究

本文研究当水下航行器外壳体振动传感器总数确定之后,如何利用这有限个数的传感器得到更多航行器壳体振动信息,从而更准确地评估航行器当前声隐身状态的问题。基于结合声辐射模态理论,给出传感器优化配置方法和步骤,并利用类似水下航行器的椭球壳体结构作为研究对象进行仿真,对该方法进行验证。研究结果表明,针对类椭球结构的水下航行器,低频段壳体传感器应布置在两端及中间位置。     

圆柱壳体振动主动控制中作动器的优化配置

结构振动的主动控制不仅取决于控制器中控制律的设计,还取决于作动器在结构中的作用位置,作动器的合理布置能有效抑制结构振动低频范围内的响应。文章以圆柱壳体为研究对象,基于离散系统可控可观性准则,提出了基于粒子群算法优化作动器作用位置的设计方法,并通过实验加以验证。实验结果表明,粒子群算法可应用于圆柱壳体中作动器作用位置优化设计的问题,在振动主动控制实验中能取得良好的控制效果。     

基于降阶模型的结构声耦合系统的极点配置

基于结构声耦合系统的降阶模型实现了水下结构振动和声辐射的极点配置.文中的降阶模型可完全基于结构声耦合系统的振动响应通过实验来获取,可以不需要形成或知道结构的质量阵、阻尼阵、刚度阵和流体的声阻抗矩阵.以水中板结构的振动和声辐射为例使用同位的传感器/作动器布置采用输出反馈控制对流体加载下的板的固有频率和阻尼进行了配置,并对不同的控制构型进行了分析和讨论.数值模拟结果表明基于降阶模型进行水下结构振动和声辐射的极点配置是可行的.     

基于降阶模型的结构声耦合系统的极点配置（英文）

基于结构声耦合系统的降阶模型实现了水下结构振动和声辐射的极点配置。文中的降阶模型可完全基于结构声耦合系统的振动响应通过实验来获取,可以不需要形成或知道结构的质量阵、阻尼阵、刚度阵和流体的声阻抗矩阵。以水中板结构的振动和声辐射为例使用同位的传感器/作动器布置采用输出反馈控制对流体加载下的板的固有频率和阻尼进行了配置,并对不同的控制构型进行了分析和讨论。数值模拟结果表明基于降阶模型进行水下结构振动和声辐射的极点配置是可行的。     

水下航行器辅机电机振动分析及控制对策

控制水下航行器辅机产生的机械噪声一直是水下航行器减振降噪研究的热点。从能量传递方面来看,这类噪声均来源于作为驱动源的电机振动。本文从电机理论的角度讨论水下航行器辅机电机的振动原因,重点分析产生电磁振动的径向电磁力,论述水下航行器辅机用3种常用电机径向电磁力的产生特点。结合水下航行器设计使用特点,介绍辅机电机振动控制的3个对策。     

筒形大力值惯性式电磁作动器优化及性能分析

作动器是主动控制的重要动力部件,用于船舶推进轴系主动控制的作动器对低频范围的输出力值有较高要求。本文以电磁作动器为研究对象,建立动力学模型,利用Ansoft Maxwell对该电磁作动器进行磁路优化分析,确定该电磁作动器具有最优磁路尺寸。通过电磁作动器仿真计算得到的电磁力大小与实际测试出的电磁力大小基本相等,证实该电磁作动器建模仿真方法的正确性。得到电磁作动器的最佳频率输出范围,说明电磁作动器具有低频大力值输出的特点。该作动器的优化方法及性能分析为船舶推进轴系等结构的低频大力值主动控制提供了理论及技术支撑。     

圆柱壳体内主被动隔振过定控制系统试验研究

本文研究了以圆柱壳体为基础的主被动隔振系统,改进了多通道窄带Fx-Newton算法以适用于误差传感器数目多于作动器数目的过定控制系统,开展了振动线谱控制试验.结果发现:采用误差传感器数目等于作动器数目的控制系统,基座和圆柱壳体的控制效果在某些频率不统一;而采用过定控制系统,能更有效地降低基座和圆柱壳体的振动线谱,提高全局控制效果.     

舰船智能结构动态特性的实验研究

振动是存在于船体结构中的一个普遍现象，它所带来的危害一直为人们所关注。根据振动主动控制原理，建立了以压电陶瓷作为执行器和传感器的甲板振动主动控制模型；利用ANSYS软件对建立的实验模型进行了有限元压电耦合动力学数值计算，确定了压电作动器和传感器在受控结构中的布置位置；搭建物理实验平台，开发了基于滤波后—xLMs控制算法的单输入多输出的振动自适应主动控制系统，在使用模拟滤波器的基础上，对所采用的实验模型进行筒谐及随机扰动下振动主动控制的物理实验研究。实验结果表明，通过控制甲板结构的边界，从而有效控制其振动情况的方法是可行的。这为微小型航行体减振降噪提供了一条新的途径。     

船舶主机设备振动控制方法研究

针对原有船舶主机设备振动控制方法无法对主机内部振动发生位置定位,产生控制后二次振动的问题,设计船舶主机设备振动控制方法。根据舰船主机结构的特征,构建主机有限元模型,完成对主机设备振动位置的确定。在振动处引用振动作动器,对其施加一定数值的作用力,为振动控制提供基础。增加振动控制器,将与作动器相连接,通过消振频率计算公式消除振动频率,实现对船舶主机设备振动的控制。至此,船舶主机设备振动控制方法设计完成。构建实验环节,与原有振动控制方法相比,此方法使用后的二次振动发生率低于原有方法。综上所述,此方法优于传统船舶主机设备振动控制方法。     

基于Halbach阵列作动器的柴油机低频振动传递控制

柴油机是舰艇三大噪声源中机械噪声的主要贡献者,控制柴油机传往甲板或壳体的振动意义重大。该文基于Halbach阵列研制的新型作动器用于控制柴油机的低频振动传递。首先基于MATLAB平台利用实测数据对LMS算法中的滤波器系数和步长进行优化选择,然后通过实验验证了该作动器和所设计控制器的有效性。结果表明使用低频线谱自适应控制策略以后,基座和甲板振动在控制作用频率上均得到抑制,取得7dB左右的控制效果。     

螺旋桨附连水效应的数值计算方法研究

在船舶推进轴系振动和校中计算分析中,螺旋桨在流场中引起的附连水效应是一个很重要的参数。但实际计算中,螺旋桨附连水效应一般用其自身转动惯量和质量乘以一个经验系数来得到。针对该不足,文章介绍了分析螺旋桨附连水效应的稳态谐响应数值计算方法和常用经验公式。通过对一个多用途船的螺旋桨附连水效应进行数值计算,并与经验公式的估算结果进行对比分析,误差均在合理范围内,验证了该数值方法的可应用性。     

艉置消振推力轴承降噪机理分析及试验验证

本文针对螺旋桨-轴系-船体耦合振动产生的高辐射噪声问题,从新型推力轴承设计出发,提出了艉置消振推力轴承的设计方案。该新型推力轴承具有艉部对称安装、纵向刚度低噪声匹配、径向采用隔振处理等技术特点。通过建立螺旋桨-轴系-船体耦合振动声辐射计算模型,采用数值计算方法揭示了艉置消振推力轴承的降噪机理,并在开阔水域开展了艉置消振推力轴承降噪效果的验证试验,试验结果表明,该新型推力轴承具有良好的降噪效果,可将螺旋桨纵向激励力经轴系传递到试验模型壳体引起的辐射噪声降低7.3 dB。该研究为降低舰船桨-轴-船耦合振动辐射噪声提供了一种新的技术途径。     

一种船舶充液管路声振耦合工程计算方法

船舶充液管路由于其复杂的三维空间与多物理场的耦合,很难对其振动响应进行预报。该文基于阻抗-导纳综合法,提出了一种充液管路声振耦合计算方法,该方法采用阻抗矩阵的表达方式描述了管路元件;对于泵阀等复杂、难以通过解析公式获取的噪声源采用试验测试技术获取。并对文中的计算方法进行了仿真与试验验证,计算、试验结果均表明:文中方法的计算结果数据精确可靠,具有较高的工程应用价值。     

波浪中过度加速度的非线性时域预报

国际海事组织(IMO)船舶设计建造分委会(SDC)第4次会议把过度加速度稳性直接评估的制定提上议程。然而,如何准确预报和评估波浪中的过度加速度依然是一个亟待解决的问题。文章针对此挑战,采用三维时域混合源法进行了波浪中过度加速度的直接预报和评估。首先,采用三维时域混合源法,建立了波浪中船舶大幅横摇运动和船体任意位置处横向加速度的非线性时域预报方法;其次,以4000TEU集装箱船为研究对象,开展规则波和不规则波中的大幅运动模型试验,对计算方法进行验证;然后,对比分析了3DOF(垂荡—纵摇—横摇)和4DOF(横荡—垂荡—纵摇—横摇)耦合数学模型的计算精度;最后,分析了船体横向加速度的影响因素。研究表明,考虑横荡影响的4DOF数学模型计算精度较高;数值计算结果和模型试验结果吻合良好,证明文中建立的非线性时域方法可有效预报波浪中的过度加速度,可用于IMO过度加速度衡准的制定,也可为船舶设计提供评估手段。此外,文中还研究了IMO薄弱性衡准草案中中国和德国联合提出的加速度简化计算方法的适用性,证明该简化计算方法具有一定的保守性,符合衡准的要求,可用于过度加速度薄弱性衡准计算。     

随轴系做复杂空间运动的船舶 螺旋桨水动性能计算

船舶航行时,附在转轴上的螺旋桨通常做复杂的空间运动。这是因为一方面螺旋桨和转轴不可避免地存在偏心,使得在不平衡激励下转轴在绕自身中心线旋转的同时又发生空间涡动(又称为进动);另一方面,螺旋桨通常工作在不均匀的流场中(即使来流均匀,轴系涡动亦会导致流场的不均匀),桨叶表面的脉动力也会导致转轴的空间振动。对具有复杂三维运动的螺旋桨的水动性能预报是一个难点。本文建立了螺旋桨在流场中随轴系做复杂空间运动时的水动力预报数学模型,并利用不定常面元法求解了这一问题。该方法按时间步顺序求解,考虑了不均匀流场、轴系振动、尾涡的非线性运动及卷曲等因素。利用本文提出的方法并结合结构动力学模型,可以方便地研究流体-螺旋桨-轴系双向流固耦合等问题。同时该方法也可以用来预报船舶转弯、船舶升沉及纵摇振荡、螺旋桨启停及加速等复杂工况下的螺旋桨水动性能。文中通过一个算例验证了算法的有效性。最后,预报了轴系纵向振动幅值为1 mm,振动频率为3 Hz并伴有微量回旋振动时所引起的4381螺旋桨的脉动力。研究表明推力脉动分量大约为其静态分量的4.5/1 000,扭矩脉动分量大约为其静态分量的4/1 000。     

船用泡沫铝夹层板在低温下的冲击动态响应研究

泡沫铝夹层板具有良好的动态能量吸收性能,在极地船舶抗冲击防护方面具有巨大的潜在应用前景。文章利用ABAQUS有限元软件,结合准静态拉伸压缩材料试验,建立了船用泡沫铝夹层板的低温动态冲击数值仿真模型,研究了其动态冲击响应与抗冲击性能,并采用Instran 9350落锤冲击试验机对数值仿真模型进行了试验验证。在此基础上,研究了低温和冲击能量对船用泡沫铝夹层板动态冲击响应的影响。结果表明,随着冲击能量的增加,常温和低温条件下船用夹层板的冲击力峰值、最大挠度和最终挠度遵从乘幂增长规律。与常温相比,低温下船用泡沫铝夹层板的面板变形较小,且随着冲击能量的增加,低温的影响更为显著,即船用泡沫铝夹层板在低温下具有更好的抗冲击性能。     

清淤射流泵流场数值模拟及其参数对性能影响分析

文章采用基于RANS方程的数值模拟方法研究了清淤射流泵的性能,建立了基于CFD技术的清淤射流泵流场分析方法,重点分析了清淤泵喷口间隙、内部结构、出口半径、进口压力等关键参数与流场之间的规律,给出了射流泵流体流动机理,提出了采用QhVh(底部流量与平均速度的乘积)来评价最佳射流泵及作业距离h。文中的射流泵流场数值模拟方法可为该类射流泵设计提供分析评估手段和实用工具。     

舷间液舱模型声振耦合特性及声辐射控制

水下航行体内部设备产生的振动能量通过舷间液舱侧板和舱内水介质两个途径的耦合和传递,在外场产生辐射噪声,成为机械噪声控制的一个短板。文中以舷间液舱外场声辐射控制为背景,采用解析方法建立了液舱结构振动与内外声场的声振耦合模型,计算分析了液舱侧板及液舱内部介质对振动传递和外场声辐射的影响,结果认为敷设声学覆盖层并减小液舱侧板材料刚度能够有效控制外场辐射声功率。文章为舷间液舱的"声短路"控制提供了新的思路。     

大型极地运输船主机功率评估方法研究

文章根据推力和阻力平衡原理,结合冰阻力模型试验结果,初步探索了大型极地运输船主机功率的评估方法。文中以一艘极地航行运输船为例,结合冰水池试验结果和满足RMRS规范要求的主机功率评估结果,对上述评估方法进行了验证。当采用理论方法评估主机功率时,设计者必须具有一定的经验,才能正确考虑冰桨相互作用以及螺旋桨的抽吸作用;当采用传统拖曳水池进行低速拖曳模型试验评估主机功率时,虽然推力减额的测量结果没有包含冰桨相互作用的影响,但一定程度上也可满足评估要求。评估结果表明:文中初步探索的理论和模型试验评估方法,能够满足该类极地运输船舶主机功率的评估,可为设计者提供参考。